CN113131706A - 盘式永磁同步电机、储能飞轮及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了盘式永磁同步电机、基于磁悬浮支承的储能飞轮及方法，包括：在上的定子盘和在下的转子盘；定子盘包括定子铁心，所述定子铁心包括定子齿和定子轭两部分，电枢绕组为短矩分布绕组，缠绕在定子齿上，绕组线圈沿轴向双层排布；转子盘是由转子轭盘和沿圆周方向N极、S极交错排列永磁体构成，其中永磁体的磁极极数均匀嵌在转子轭的上表面。优化了储能飞轮用电机的结构，电机为轴向磁通电机，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，采用电动机和发电机一体，实现电动/发电的互逆运行，可以工作在电动和发电两种状态，简化了飞轮储能***的结构。

Description

盘式永磁同步电机、储能飞轮及方法

技术领域

本公开属于电机技术领域，尤其涉及盘式永磁同步电机、基于磁悬浮支承的储能飞轮及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着社会的高速发展，人们对能源的消耗越来越大，用户的用电量也逐年增加，传统的火电带来的环境污染日渐严重，迫使人们思考采用新能源或可再生能源进行研究和应用的可行性。近年来国家对低碳可再生能源的大力扶持，可再生能源技术的大力发展，风能、太阳能等绿色能源成为各国普遍重视的能源。但由于风能、太阳能等可再生能源的随机性大，易受自然环境的影响，为了实现可再生能源的高效灵活运用，因此能量的存储在此方面显得尤为重要，同时也给储能技术的发展带来了新机遇和新方向。

储能顾名思义就是储存能量，这里的能量通常指的是最常用的电能，针对现有的能量短缺，储能技术可以做到把能量高效利用，弥补可再生能源发电的波动性，提高新能源并网***的运行稳定性。储能装置可以在电网中应用，当负载存在波动时，储能装置可进行一定程度上的削峰填谷，当负载的用电量需求较少时，储能装置进行充电，可以将发电发出的多余的电能储存在储能装置中，当负载的用电需求很大时，电网发出的电不足以提供充足的电力，储能装置进行放电，将储存的电能向电网回馈，从而满足负载的用电需求。将储能***与可再生能源如风电、光电联合，可以有效提升其自主调峰调频能力，提高可再生能源的消纳率，有助于未来新型可再生能源的开发利用。

目前电力行业最常见的储能方式包括如抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、热储能等物理储能方式、如电池储能、电容储能等化学储能方式以及新的超导储能等等，其中化学电池储能因其结构简单、便于携带，目前仍作为最主要的储能方式。但化学电池功率和容量较小，且安全性差寿命短，对于废旧电池的回收处理方式花费大且易会环境造成不可挽回的污染。近年来，随着人们环保意识的增强，国家对可持续发展的重视程度越来越高，越来越多的领域选择利用飞轮储能此种储能方式，它与传统的化学电池储能相比有着不可比拟的优势，具有很大的发展前景。

飞轮储能技术具有储能密度高、功率密度大、充放效率高、充放电时间短且不受充放电次数限制、使用寿命长、对工作温度和运行环境适应性强、维护成本低且无污染等优点，该技术的研究应用体现在电力调峰调频、新能源并网、交通运输、航空航天、不间断电源等领域，尤其是对于节能和环保，具有极其重要的研究价值。

飞轮储能技术在国外起步于上世纪50年代，有人提出可以利用高速旋转的飞轮进行能量储存，并希望能将其运用于电动汽车储能上，然而由于当时技术条件的限制，此想法仅仅体现在设想阶段，没能付诸于实践。后来随着技术的发展，美国航天局NASA研究将飞轮储能技术运用于航空航天领域，把飞轮应用于卫星作为其储能电池，至此之后的一段时间，飞轮储能技术基本停留在研究及军工层面。到了上世纪90年代以后，随着高强度碳素纤维复合材料的出现，飞轮的抗拉强度增加，飞轮储能容量也大幅度增加。同时由于磁悬浮技术和高温超导技术的发展，将磁悬浮轴承应用于飞轮储能***，消除了原机械轴承带来的机械摩擦损耗；对飞轮储能***进行抽真空，此举也大大降低了飞轮的风摩擦损耗，使飞轮储能的效率更高。随着新兴电力电子器件的应运而生，电路更加集成化模块化，电机的新结构以及电力电子变换技术上的突破使得飞轮储能技术应用范围更广，能量利用更高效。在此以后，国外众多企业、单位如Rotonix，Powerthru，Active Power，Beacon，Piller等公司陆续对飞轮储能技术开展了大量的研究并进一步向市场化生产发展。我国关于飞轮储能技术的研究起步较晚，发展较为缓慢，目前仅有少数公司从事飞轮储能生产研发工作，市场化进程缓慢，多数科研团队为高校如北京航空航天大学，清华大学，中科院电工所，山东大学等等，对比国外的高性能储能飞轮，技术上还有可以进步的空间。

飞轮储能***主要由飞轮本体、电动机/发电机组、轴承支撑部件、电力电子变换装置四大部分组成，飞轮储能其基本原理为，以高速旋转的飞轮作为储能介质，当需要充电时，利用外部的电动机带动飞轮高速旋转起来，将电能转换成机械动能储存起来；当需要发电时，利用高速旋转的飞轮拖动发电机发电，飞轮减速，将动能转换成电能，经功率变换器输出适用于负载的电流和电压给负载供电，从而完成电能和机械能之间的能量转换储能过程。电力电子变换装置为飞轮储能***中电机与外部电气设备提供能量交换，通过开关器件及控制电路控制飞轮进行充放电，通过采用不同的拓扑结构调节输出/输入电能的电压、电流和频率，从而实现飞轮储能***与外部设备的能量双向流动，为负载提供合适的电能。轴承支撑部件是飞轮***中用于结构的机械支撑的部分，常分为机械轴承和电磁轴承两种，由于机械轴承常常会带来机械摩擦损耗且不易维护，越来越大的飞轮***采用电磁轴承进行支撑；磁悬浮轴承作为电磁轴承，分为径向磁轴承和轴向磁轴承，其中径向磁轴承顾名思义可以维持转子轴的径向悬浮，常见的有永磁偏置径向磁轴承、电磁径向磁轴承及混合径向磁轴承，轴向磁轴承即可以维持转子轴的轴向悬浮，可分为主动型和被动型轴向磁轴承。飞轮转子是整个飞轮***的核心部件，用来储存能量，通过使用可以承受更高转速和旋转张力的合成材料制作飞轮转子来提高飞轮的储能容量。储能飞轮其工作原理是实现能量的双向流动，因此电动机/发电机组是飞轮能量转换的关键部件，将电动机和发电机集成于一体，同时具备电动机和发电机的特性。现如今用于储能飞轮的电机常包括：感应电机、永磁电机、开关磁阻电机、同极子电机等等，每种电机都已有文献进行研究，其中永磁电机其功率密度高、运行效率高、结构简单、动态性能好，因此永磁电机成为飞轮储能***中最受欢迎的电机类型。由于永磁电机的转子磁场由永磁体产生，按永磁体充磁方向不同，永磁电机可以分为径向磁通永磁电机、横向磁通永磁电机以及轴向磁通永磁电机。

轴向磁通永磁同步电机也称盘式永磁同步电机，凭借其结构紧凑、效率高、功率密度大等特性广泛受到了国内外学者的关注，但是其应用在储能飞轮上的先例较少，但是未来其在高速飞轮储能***中将具有一定的应用前景。法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁通电机，但是受到当时材料和工艺水平的限制，在此后相当长的一段时问轴向永磁电机几乎停滞不前，没有得到有效发展，逐渐被径向磁通电机占据市场。后来随着新材料的出现、新技术的发展，轴向磁通电机依靠其根本上效率高功率密度大的优势，得到了迅速发展，逐渐广泛应用于电动汽车、风力发电、航空航天及飞轮储能等领域。

传统的盘式永磁同步电机按照定转子数量及其相对位置可分为以下几种，即单定子单转子结构、双转子中间定子结构、双定子中间转子结构和多盘式结构。上世纪70年代，国外对于盘式永磁同步电机的研究逐渐发展，意大利比萨大学的A.Bramanti教授等首次提出了制造盘式永磁同步电动机的可行性。国内尽管起步较晚，但对于盘式永磁同步电机也有了一定的研究成果，唐任远教授提出了盘式永磁同步电动机详细的设计方法，沈阳工业大学设计出了双转子盘式永磁同步电机的样机。除此之外，软磁复合材料和非晶合金材料在高频磁场下产生的损耗很小，因此国内外专家学者选择使用此种材料代替传统的硅钢片。随着风力发电、航空航天等领域对储能飞轮需求越来越大，从而对储能飞轮用盘式永磁同步电机的研究及应用要求更加严格。目前，我国对盘式永磁同步电机的研究还不够深入，不能得到有效推广使用。因此需要在最普通的盘式永磁同步电机的基础上，设计新的电机结构，利用新的材料，发展新的应用，注重与飞轮储能***的协调配合，同时由于储能飞轮的应用场合、结构等方面的特殊性，为最终实现其产业化、商业化，保证储能飞轮的安全性、可靠性，以下几方面的问题是新的电机结构需要重点考虑的：

1.新结构样机的研发和电机结构的优化设计问题。由于储能飞轮在永磁电机结构上、容量、效率、功率等性能方面的要求，研发采用轴向磁通原理的新型盘式永磁同步电机，以扩展储能飞轮用电机的种类，拓宽盘式永磁同步电机的应用范围。由于盘式电机结构种类多种多样，基于磁悬浮轴承支承，可进一步优化盘式永磁同步电机结构，对电机尺寸进行合理设计，使电机结构更加简单，轴向长度更短，减小电机的体积及重量，便于制造。

2.电机在储能飞轮中的位置及安装问题。由于电机是利用现有的储能飞轮的飞轮转子锻钢、飞轮机壳以及磁悬浮轴承部件，在已知其尺寸关系的基础上确定电机在飞轮***里的位置，为了保证空间的合理利用，因此电机位置的精准确定应为保证飞轮安全可靠运行的关键。除此之外，盘式永磁同步电机具有定子盘、转子盘的结构，在储能飞轮中安装时应考虑安装的可行性以及电机部件的安装顺序，保证电机装配与储能飞轮***的协调配合，在飞轮高速旋转的情况下，电机在实际安装过程中其各个元件应安装牢固，保证其不会因为高速旋转造成位置的移动，实现储能飞轮的安全稳定运行。

3.新材料在盘式永磁同步电机中的应用问题。由于盘式永磁同步电机的特殊结构，电机磁路为三维路径，另外盘式永磁同步电机的定子铁心通常体积较大不易散热，电机会在定子轭部产生铁心损耗，传统的硅钢片材料在较高的工作频率下会产生较大的铁耗，使得定子轭温升较大，影响电机的安全运行。为了解决这些问题，有关学者从材料方面进行创新性研究。软磁复合材料(SMC)是一种新型导磁功能材料，与最常见的叠压硅钢材料相比，其具有高频铁耗低、各向同性、磁热特性等众多优点，用于电机时可实现电机的三维磁路结构、多极高频及模块化设计，基于SMC的储能飞轮用盘式永磁同步电机具有高效率、高功率密度和低损耗等优势。软磁复合材料(SMC)在盘式永磁同步电机中得到了广泛的应用，对储能飞轮用盘式永磁同步电机的性能提升具有很大帮助。

4.电机的动平衡问题。由于其定子同时作为旋转磁极的磁回路，单定子单转子盘式永磁同步电机会产生单边磁拉力，为保证电机的动平衡，需考虑设置推力轴承以保证转子不致发生轴向窜动。同时为了防止电机定子存在的径向电磁力，使得定子盘与转子盘径向位置存在偏差，可考虑加装径向磁轴承。因此，解决电机的动平衡问题对电机的安全稳定运行尤为重要，因此储能飞轮用盘式永磁同步电机需基于磁悬浮轴承支承是不可或缺的。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了盘式永磁同步电机，基于磁悬浮轴承支承，可以缩短电机轴向长度、减小体积、降低重量，得到更高的效率和更大的功率密度。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了盘式永磁同步电机，包括：

在上的定子盘和在下的转子盘；

所述定子盘包括定子铁心，所述定子铁心包括定子齿和定子轭两部分，电枢绕组为短矩分布绕组，缠绕在定子齿上，绕组线圈沿轴向双层排布；

所述转子盘是由转子轭盘和沿圆周方向N极、S极交错排列永磁体构成，其中永磁体的磁极极数均匀嵌在转子轭的上表面。

进一步的技术方案，所述定子盘及转子盘沿轴向立式排列；

所述定子盘铁心内部放置径向磁轴承保证径向位置，用飞轮转子代替转子轭盘，飞轮转子下部放置轴向被动磁轴承保证轴向位置。

进一步的技术方案，所述转子盘的永磁体在制造时，将每个永磁体极沿径向及周向分成数个小块，以便于安装。

进一步的技术方案，所述转子轭盘外径略大于永磁体外径，在绕组端部范围内部的转子端面低于永磁体上表面，但不得超过永磁体轴向厚度的一半，在绕组端部范围外部即永磁体外侧转子端面与永磁体上表面平齐，电机定子盘和转子盘保持同轴度，定子盘和转子盘间的气隙通过尺寸链保证。

进一步的技术方案，所述转子轭盘所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由稀土材料制成，定子铁心由软磁复合材料SMC模压铁心块组合而成。

第二方面，公开了储能飞轮，包括上述盘式永磁同步电机，同步电机的定子铁心上端放置不导磁圆环，采用不导磁扣环与定子铁心组成，定子盘与径向磁轴承定子还通过上端导磁圆盘组装在一起。

进一步的技术方案，所述不导磁圆环的外径与内径略大于定子铁心的内外径相，不导磁圆环采用过盈配合通过螺栓紧扣在定子铁心顶部。

进一步的技术方案，所述的上端导磁圆盘内周置于径向磁轴承机壳上，外周固定于飞轮机壳内壁上，通过导磁圆盘将盘式电机与飞轮机壳、径向磁轴承连接，并采用橡胶密封圈对连接位置进行密封，在装配时需要在导磁圆盘和飞轮机壳连接处加装调整垫块保证电机气隙不变。

进一步的技术方案，所述径向磁轴承和飞轮机壳与导磁圆盘之间的机械配合方式为过盈配合，在导磁圆盘上端开槽并铺设水管进行水冷。

进一步的技术方案，电机置于飞轮机壳与径向磁轴承之间的位置，电机的上端定子盘置于上端径向磁轴承外周与飞轮机壳之间，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，永磁体嵌在飞轮转子上端面上，电机定子盘的绕组外端部最大外径小于定子机壳内径，电机定子盘的绕组内端部内径大于磁轴承外径。

进一步的技术方案，所述电机的上端定子盘对转子盘的吸引力需要低于1/2倍的轴向被动磁轴承的轴向排斥力，飞轮转子上端轴面加装轴向保护轴承，以保证电机气隙；

进一步的技术方案，所述储能飞轮中的轴向被动磁轴承，其位置置于飞轮转子之下，包含两个轴承盘，上动轴承固定在飞轮转子下表面，下静止轴承盘与端盖固定，两轴承盘之间留有适当气隙；

第三方面，公开了储能飞轮的安装方法，包括：

先将整体飞轮转子安装到位，通过测量飞轮转子上端面永磁体的轴向位置，从而确定定子盘的安装位置，依次保证电机定子盘和转子盘的轴向间隙，除此之外，对整体转子进行轴向定位，以保证电机转子盘不会在定子盘的吸力作用贴到定子盘上；

第四方面，公开了盘式永磁同步电机的工作方法，包括：

主磁路提及的气隙为定子铁心与转子盘之间的气隙；

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极作为转子产生同步旋转磁场，定子铁心内磁通交变，缠绕在定子铁心上的三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应感生出感应电动势，进而绕组内产生三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用，发出的电经过功率变换得到可供负载使用的电能；

当定子绕组通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开将电机应用到新的场合，优化了储能飞轮用电机的结构，电机为轴向磁通电机，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，采用电动机和发电机一体，实现电动/发电的互逆运行，可以工作在电动和发电两种状态，简化了飞轮储能***的结构。盘式永磁同步电机采用单定子盘单转子盘结构，并配合径向磁轴承、轴向磁轴承使用，在保证电机可靠运行的情况下，使电机结构更紧凑，缩短了电机的轴向长度，电机总体积、重量减小，电机的性能更优，将盘式永磁同步电机应用在大容量飞轮储能的场合，为未来飞轮储能***的发展提供了研究方向。

本公开解决了电机的动平衡问题。电机的定转子沿轴向排列分布，由于其定子同时作为旋转磁极的磁回路，单定子单转子盘式永磁同步电机上端定子盘会对下端转子盘产生单边磁拉力，为保证电机的动平衡，本公开的盘式永磁同步电动机基于磁悬浮支承，在飞轮转子下部设置轴向被动磁轴承以保证转子不致发生轴向窜动，电机的上端定子盘对转子子盘的吸引力需要低于1/2倍的轴向被动磁轴承的轴向排斥力，同时飞轮转子上端轴面加装轴向保护轴承，以保证电机气隙不会过小。此外为了防止电机定子存在的径向电磁力，使得定子盘与转子盘径向位置存在偏差，本公开的盘式永磁同步电动机其位置置于飞轮机壳和径向磁轴承机壳之间，轴向高度与径向磁轴承相同，加装一混合型径向磁轴承，可以有效解决电机的动平衡问题，对电机的安全稳定运行具有重要意义。

本公开解决了转子强度的问题。本大容量储能飞轮，飞轮通常处于高速旋转的工作状态，此时会产生很大的离心力，永磁电机其转子盘上通常装有永磁体块，为了避免永磁体在离心力的作用下脱落造成危险，因此本公开其转子盘上永磁体嵌入飞轮转子，转子轭盘外径略大于永磁体外径，在绕组端部范围内部的转子端面需低于永磁体上表面，但不得超过永磁体轴向厚度的一半，在绕组端部范围外部即永磁体外侧转子端面与永磁体上表面平齐，飞轮高速旋转时转子轭会对永磁体起到一个阻挡作用，同时，对永磁体沿径向和周向分块，可以减小其在高速旋转时受到的弯曲应力，从而确保了转子的强度以及电机的安全性。

本公开拓宽了新材料的应用范围。本公开为轴向磁通结构，电机磁路为三维磁路，即转子旋转方向垂直于电机主磁路所在平面。而且盘式永磁同步电机的定子铁心通常体积较大，用传统的硅钢片材料在较高的工作频率下会产生较大的铁耗，使得定子轭温升较大，因此通过采用新型的软磁复合材料，将软磁复合材料SMC模压铁心块组合成定子铁心，可以有效解决盘式永磁同步电机所面临的问题，同时拓宽了软磁复合材料应用范围，达到产业互补推动的效果。

本公开简化了电机的安装及加工工艺。为了大幅度节约电机所占空间，合理利用储能飞轮的内部空间，本公开利用现有的储能飞轮的飞轮转子锻钢、飞轮机壳以及磁悬浮轴承部件，在已知其尺寸关系的基础上确定电机在飞轮***里的位置及尺寸，要求电机置于飞轮机壳与径向磁轴承之间的位置，电机的上端定子盘置于上端径向磁轴承外周与飞轮机壳之间，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，合理的利用了飞轮的内部空间，降低了电机的轴向高度；本公开提出的电机为盘式结构，安装时可采用模块化装配思路安装时可采用模块化装配思路，安装步骤为，先将整体飞轮转子安装到位，通过测量飞轮转子上端面永磁体的轴向位置，从而确定定子盘的安装位置，依次保证电机定子盘和转子盘的轴向间隙，之后对整体转子进行轴向定位，基于磁悬浮轴承支承的情况下，加装保护垫块及保护轴承，以保证电机转子盘不会在定子盘的吸力作用贴到定子盘上，减少了安装上的工序，保障了飞轮储能***的可靠性和集成度。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的整体三维结构图；

图2为本公开实施例子的电机本体部分三维结构图；

图3为本公开实施例子的电机组装示意图；

图4为本公开实施例子的飞轮转子示意图；

图5为本公开实施例子的定子铁心结构图；

图6(a)-图6(b)为本公开实施例子的单个永磁体和整体永磁体结构图；

图7为本公开实施例子的永磁体与转子轭盘之间的结构关系图；

图8(a)-图8(b)为本公开实施例子的单个绕组图和整体电枢绕组结构图；

图9为本公开实施例子的定子装配示意图

图10为本公开实施例子的定子线圈接线示意图；

图11为本公开实施例子的电机主磁路示意图；

图12为本公开实施例子的电机的剖视图；

图中，上端盖1、上径向磁轴承2、机壳3、不导磁扣环4、上导磁圆盘5、转子轭6、转轴7、永磁体极8、电枢绕组9、定子铁心10、下端盖11、飞轮转子12、轴向保护轴承13、轴向被动磁轴承14、保护垫片15、下径向磁轴承16。

定子齿部10-1、定子轭部10-2，轴向被动磁轴承上动轴承盘14-1、轴向被动磁轴承下静止轴承盘14-2；

为了便于描述磁路，将永磁体极分为永磁体8-1、相邻永磁体8-2，将途径的定子齿部分为定子齿10-11、相邻定子齿10-12。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种新型基于磁悬浮支承的储能飞轮用盘式永磁同步电机，电机与储能飞轮里起支撑作用的磁悬浮轴承***共同配合，实现储能飞轮机械动能和电能的能量交换。

本公开实施例子以8极72槽盘式永磁同步电机为例，图1为本发明提出的基于磁悬浮支承的储能飞轮的整体结构，包括上端盖1、上径向磁轴承2、机壳3、不导磁扣环4、上导磁圆盘5、转子轭6、转轴7、永磁体极8、电枢绕组9、定子铁心10、下端盖11、飞轮转子12、轴向保护轴承13、轴向被动磁轴承14、保护垫片15、下径向磁轴承16。

图2为所述发明的盘式永磁同步电机本体部分，参阅图2，结合图5、图6、图7、图8，对本实施例中的基于磁悬浮支承的储能飞轮用盘式永磁同步电机进行详细说明。

电机本体分为定子铁心、电枢绕组和转子盘三部分，定子铁心10包括定子齿10-1和定子轭10-2两部分，由软磁复合材料SMC模压铁心块组合而成；电枢绕组9为短矩分布绕组，缠绕在定子齿10-1上，线圈沿轴向双层排布。

电枢绕组9，绕在定子齿上，轴向高度短，大大压缩了电机的轴向尺寸。

电动机和发电机一体，能够实现电动/发电的互逆运行，可以工作在电动和发电两种状态。

转子盘是由一个转子轭盘6和八块沿圆周方向N极、S极交错排列永磁体8构成，其中永磁体8按要求的磁极极数均匀嵌在转子轭6的上表面，永磁体8为扇型结构，轴向充磁；为了便于安装及减小损耗，实际制造中需要将每块永磁体8沿轴向及周向分成数个小块，再粘接到一起后再整体轴向充磁。

本公开实施例子的定子铁心10结构由图5给出，永磁体8的结构图如图6所示，其中图6-a为单个永磁体结构图，图6-b为整体永磁体结构图；所述本公开实施例子的电枢绕组9结构由图8给出，其中图8-a为单个线圈结构图，图8-b为整体电枢绕组结构图。

本发明实施例中，飞轮储能电机组装示意图如图3所示，电机置于飞轮机壳3与上径向磁轴承2之间的位置，电机的上端定子盘10置于上端径向磁轴承2外周与飞轮机壳之间，有效利用了径向磁轴承与飞轮机壳之间的空间，大大降低了电机的轴向高度，径向磁轴承对电机的支承效果更好，同时以飞轮转子12作为下端转子盘的导磁轭盘，永磁体8嵌在飞轮转子上。电机定子盘的绕组9外端部最大外径小于定子机壳内径，电机定子盘的绕组9内端部内径大于磁轴承外径；所述转子永磁体8与转子轭盘6之间的结构关系如图7所示，转子轭盘6外径略大于永磁体8外径，在绕组端部范围内部的转子6端面需低于永磁体8上表面，但不得超过永磁体8轴向厚度的一半，在绕组端部范围外部即永磁体8外侧转子6端面与永磁体8上表面平齐，电机定子盘和转子盘保持同轴度。

定子装配示意图如图9所示，定子铁心盘10上端放置不导磁扣环4，采用不导磁扣环4与定子铁心10组成整体，从而补偿电机的定子轴向高度与径向磁轴承高度相同，同时防止定子铁心存在的漏磁流入上端导磁圆盘5，此外电机定子盘10与径向磁轴承2定子还通过上端导磁圆盘5组装在一起，其中不导磁圆环4的外径与内径略大于定子铁心10的内外径，扣环4通过螺栓紧紧的扣在电机定子铁心10顶部，上端导磁圆盘5内周置于径向磁轴承机壳上，外周固定于飞轮机壳3内壁上，通过导磁圆盘5将盘式电机与飞轮机壳3、径向磁轴承2连接，从而便于组件整体的拆装与固定，同时保证轴承的有效承载。此外在装配时需要在导磁圆盘5和飞轮机壳3连接处加装调整垫块15以保证电机气隙不变，径向磁轴承2和飞轮机壳3与导磁圆盘5之间的机械配合方式为过盈配合，同时为降低定子温升，在导磁圆盘上端开槽并铺设水管进行水冷。

电机转子轭盘目前所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由性能优异的稀土材料制成，定子铁心由软磁复合材料SMC模压铁心块组合而成。

本发明实施例中，电机置于飞轮机壳与径向磁轴承之间的位置，电机的上端定子盘置于上端径向磁轴承外周与飞轮机壳之间，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，永磁体嵌在飞轮转子上端面上。电机定子盘的绕组外端部最大外径小于定子机壳内径，电机定子盘的绕组内端部内径大于磁轴承外径。

本发明实施例中，盘式永磁同步电机的上端定子盘10对转子盘6的吸引力需要低于1/2倍的下轴向被动磁轴承14的轴向排斥力，因此飞轮转子12上端轴面还需要加装轴向保护轴承13，以保证电机气隙；轴向被动磁轴承14，其位置置于飞轮转子12之下，包含两个轴承盘，上动轴承14-1固定在飞轮转子12下表面，下静止轴承盘14-2与下端盖11固定。

本发明实施例中，电机定子盘与径向磁轴承定子通过上端导磁圆盘组装在一起，装配时需要在导磁圆盘和飞轮机壳连接处加装调整垫块以及轴向保护轴承保证气隙大小。

电动机和发电机一体，作为电动机时，飞轮高速旋转将电能转换成机械动能储存起来，做发电机运行时，飞轮减速释放能量供负载使用；电机整体结构紧凑、体积重量大幅下降，扩展了储能飞轮用电机的种类以及盘式永磁同步电机的应用场合，缩短了电机轴向长度，节约了飞轮的内部空间，非常适合应用于大容量飞轮储能，具备很大的发展前景。

实施例二

本实施例的目的是提供盘式永磁同步电机与储能飞轮的安装步骤为：先将整体飞轮转子12安装到位，通过测量飞轮转子上端面永磁体8的轴向位置，从而确定定子盘10的安装位置，依次保证电机定子盘10和转子盘的轴向间隙，除此之外，还需通过加装位置传感器对整体转子进行轴向定位，以保证电机转子盘不会在定子盘10的吸力作用贴到定子盘10上。

实施例三

本实施例的目的是提供盘式永磁同步电机的工作方法，包括：

主磁路提及的气隙为定子铁心10与转子盘之间的气隙a，添加附图11具体表述电机主磁路，同时对主磁路中的气隙进行标注；

以图11为例说明电机的磁路，永磁磁通依次经过转子盘永磁体8-1→气隙a→定子齿10-11→定子轭10-2→相邻定子齿10-12→气隙a→相邻转子盘永磁体8-2→转子轭盘6→最后回到原转子盘永磁体8-1形成闭合回路；

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子12旋转时，永磁磁极8作为转子产生同步旋转磁场，定子铁心10内磁通交变，缠绕在定子铁心10上的三相定子绕组9在旋转磁场的作用下通过电枢反应感生出感应电动势，进而绕组9内产生三相对称电流，此时转子12动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用；当定子绕组9通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组9在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步速旋转磁场，与永磁体8产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子12同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

电机绕组接线方式如图10所示(仅列出A相绕组接线方式，B、C相相同且三相互差120°)，所述定子绕组9为短矩分布绕组，沿径向双层排布，引出中线，绕组轴向高度短，大大减小了电机的轴向长度。

盘式较杯式来说有定子铁心，定转子由上至下，便于安装，盘径内外空间大，便于安放绕组端部，所以不存在绕组固定上的难度，轴向高度小，但存在单边磁拉力需大承载力的被动磁轴承承载，同时存在铁损。应用场景上盘式电机通常适用于高转速大容量飞轮且由大承载力轴承支承。

因此本发明与传统的储能飞轮用永磁电机比较，本发明所用的基于磁悬浮支承的储能飞轮用盘式永磁同步电机具有功率密度大、效率高的显著优势，这是飞轮储能***所期望得到的性能，在未来高速飞轮储能***中具有一定的应用前景。除此之外，本发明与飞轮储能***常用的双转子或双定子盘式永磁同步电机相比，其结构更加紧凑，装配更加简单，大幅度缩小了电机的轴向长度，飞轮内部空间的利用程度提高，同时通过加装轴向被动磁轴承、轴向保护轴承、径向磁轴承，解决了常规单定子单转子盘式永磁同步电机的单边磁拉力问题，本发明提出的新型基于磁悬浮支承的储能飞轮用盘式永磁同步电机为储能飞轮用电机的研究提供了新方法和新思路，也为未来储能飞轮用电机与磁悬浮轴承的配合使用指明了研究方向。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.盘式永磁同步电机，其特征是，包括：

在上的定子盘和在下的转子盘；

所述定子盘包括定子铁心，所述定子铁心包括定子齿和定子轭两部分，电枢绕组为短矩分布绕组，缠绕在定子齿上，绕组线圈沿轴向双层排布；

所述转子盘是由转子轭盘和沿圆周方向N极、S极交错排列永磁体构成，其中永磁体的磁极极数均匀嵌在转子轭的上表面。

2.如权利要求1所述的盘式永磁同步电机，其特征是，所述定子盘及转子盘沿轴向立式排列；

所述定子盘铁心内部放置径向磁轴承保证径向位置，用飞轮转子代替转子轭盘，飞轮转子下部放置轴向被动磁轴承保证轴向位置。

进一步的技术方案，所述转子盘的永磁体在制造时，将每个永磁体极沿径向及周向分成数个小块，以便于安装。

3.如权利要求1所述的盘式永磁同步电机，其特征是，所述转子轭盘外径略大于永磁体外径，在绕组端部范围内部的转子端面低于永磁体上表面，但不得超过永磁体轴向厚度的一半，在绕组端部范围外部即永磁体外侧转子端面与永磁体上表面平齐，电机定子盘和转子盘保持同轴度，定子盘和转子盘间的气隙通过尺寸链保证。

进一步的技术方案，所述转子轭盘所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由稀土材料制成，定子铁心由软磁复合材料SMC模压铁心块组合而成。

4.储能飞轮，其特征是，包括上述权利要求1-3任一所述的盘式永磁同步电机，同步电机的定子铁心上端放置不导磁圆环，采用不导磁扣环与定子铁心组成，定子盘与径向磁轴承定子还通过上端导磁圆盘组装在一起。

5.如权利要求4所述的储能飞轮，其特征是，所述不导磁圆环的外径与内径略大于定子铁心的内外径相，不导磁圆环采用过盈配合通过螺栓紧扣在定子铁心顶部。

6.如权利要求4所述的储能飞轮，其特征是，所述的上端导磁圆盘内周置于径向磁轴承机壳上，外周固定于飞轮机壳内壁上，通过导磁圆盘将盘式电机与飞轮机壳、径向磁轴承连接，并采用橡胶密封圈对连接位置进行密封，在装配时需要在导磁圆盘和飞轮机壳连接处加装调整垫块保证电机气隙不变。

进一步的技术方案，所述径向磁轴承和飞轮机壳与导磁圆盘之间的机械配合方式为过盈配合，在导磁圆盘上端开槽并铺设水管进行水冷。

7.如权利要求4所述的储能飞轮，其特征是，电机置于飞轮机壳与径向磁轴承之间的位置，电机的上端定子盘置于上端径向磁轴承外周与飞轮机壳之间，以飞轮转子作为下端转子盘的导磁轭盘，永磁体嵌在飞轮转子上端面上，电机定子盘的绕组外端部最大外径小于定子机壳内径，电机定子盘的绕组内端部内径大于磁轴承外径。

进一步的技术方案，所述电机的上端定子盘对转子盘的吸引力需要低于1/2倍的轴向被动磁轴承的轴向排斥力，飞轮转子上端轴面加装轴向保护轴承，以保证电机气隙。

8.如权利要求4所述的储能飞轮，其特征是，所述储能飞轮中的轴向被动磁轴承，其位置置于飞轮转子之下，包含两个轴承盘，上动轴承固定在飞轮转子下表面，下静止轴承盘与端盖固定，两轴承盘之间留有适当气隙。

9.储能飞轮的安装方法，其特征是，包括：

先将整体飞轮转子安装到位，通过测量飞轮转子上端面永磁体的轴向位置，从而确定定子盘的安装位置，依次保证电机定子盘和转子盘的轴向间隙，除此之外，对整体转子进行轴向定位，以保证电机转子盘不会在定子盘的吸力作用贴到定子盘上。

10.盘式永磁同步电机的工作方法，其特征是，包括：

主磁路提及的气隙为定子铁心与转子盘之间的气隙；

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极作为转子产生同步旋转磁场，定子铁心内磁通交变，缠绕在定子铁心上的三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应感生出感应电动势，进而绕组内产生三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用，发出的电经过功率变换得到可供负载使用的电能；

当定子绕组通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

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